计算机网络----学习笔记2020-06-12

第一章 概述

1.计算机网络向用户提供的功能： 连通性和共享

2.因特网概述

网络是由若干结点和连接这些结点的链路组成（结点可以使计算机，集线器，交换机和路由器等）

互联网的组成：1.终端系统；2.通信线路; 3.通信设备 ： 4. 应用系统

因特网发展的三个阶段：1.从单个网ARPANET想互联网发展的过程

                                        2.由主干网，地区网和校园网组成的三级结构的因特网

                                         3. 多层次 ISP 结构的因特网（ISP又称因特网服务提供者）

3.制定因特网正式标准的四个阶段;

因特网草案---------建议标准------------草案标准----------------因特网标准

4.因特网的组成：

（1）边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。其通信方式分为客户服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。

（2）核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，核心部分为边缘部分提供连通性和交换。

5.三种交换方式：电路交换 ；报文交换；分组交换

分组交换的主要特点:分组交换采用存储转发技术。转发的数据称为报文，将较长的报文划分为若干个较小的数据段，在这些数据段加上必要的控制信息组成的首部后构成分组。分组又称包，分组的首部称为包头。

主机为用户提供信息处理，路由器则进行分组转发，即进行分组交换。

6.计算机网络的类别：

（1）按作用范围分为：广域网WAN，城域网MAN，局域网LAN和个人区域网PAN

（2）按不同使用者分为：公用网专用网

（3）用来把用户接入到因特网的网络;本地接入网或居民接入网

7.计算机网络的性能指标：速率，带宽，吞吐量，时延，时延带宽积，往返时间RTT，利用率

8.网络协议要素：1.语法；2.语义；3.同步

9.计算机网络体系结构

计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构

分层的好处：各层相互独立；灵活性好；结构上可分割；易于实现和维护；能促进标准化工作

五层协议的体系结构：

（1）.物理层；在线路上传输原始比特流

（2）数据链路层；传输数据以帧为单位

（3）网络层；为分组交换网上的不同主机提供通信服务

（4）运输层；负责向两个主机中的进程之间的通信提供服务（传输控制协议TCP提供可靠交付，用户数据报协议UDP尽最大能力交付）

（5）.应用层；应用层直接为用户的应用进程提供服务。

10.实体，协议，服务和服务访问点

实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件程序

协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合

在协议的控制下。两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的

第二章 物理层

1.物理层需要解决的问题，其特性是什么？

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

2.数据通信的基本知识：

数据：运送消息的实体                                          信号：数据的电器的或电磁的表现

模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的         基带信号：来自信源的信号                 带通信号：经过载波调制后的信号

数字信号：代表消息的参数的取值是离散的

码元：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

3.信道的概念和基本方式

信道用来表示向某一个方向传送信息的媒体。单向通信、双向交替通信、双向同时通信

4.信噪比（dB） = 10(dB)       香农公式：C = W (b/s)

5.物理层下面的传输媒体

（1）导向传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤（多模光纤；近距离     单模光纤：远距离）

（2）非导向传输媒体：无线电波（地面微波接力通信、卫星通信）

6.信道复用技术

频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用TDM：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

统计时分复用STDM：改进的时分复用

波分复用 WDM：光的频分复用           密集波分复用 WDM：

码分复用CDM     码分多址CDMA

第三章 数据链路层

1.数据链路层的主要类型：使用点对点信道的数据链路层和使用广播信道的数据链路层

1.1 使用点对点信道的数据链路层;

链路是指从一个结点到相邻结点的一段物理距离，而中间没有任何其他的交换节点。

数据链路：是指在链路的基础上还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。

点对点信道的数据链路层的协议数据单元---帧

1.2 数据链路层三个基本问题

（1）封装成帧   ：对网络层交付的数据添加首部SOH和尾部EOT后封装成帧，SOH和EOT分别代表二进制的（00000001）和  （00000100）

（2）透明传输   ：对数据中出现和首部、尾部相同的字符，在其前面插入一个转义字符ESC进行字节填充 

（3）差错检验：循环冗余检验CRC

1.3点对点协议PPP

PPP协议应满足的需求：简单、封装成帧、透明性、多种网络层协议、差错检验、检测连接状态，最大传送单元、网络层地址协商、数据压缩协商

PPP协议不需要的功能：纠错、流量控制、序号、多点线路，半双工或者单工链路

PPP协议三个组成部分：

（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法

（2）一个用来建立、配置和测试数据链路链接的链路控制协议LCP

（3）一套网络控制协议NCP

PPP协议的帧格式

PP数据帧的格式如下表：

　　1、每一个baiPPP数据帧均是以一个标志字节du起始和结束的，该字节为zhi0x7E（这样很容易区分出每个PPP帧）；

　　2、紧接在起始标志字节后的一个字节是地址域，该字节为0xFF；

　　3、协议域可用来区分PPP数据帧中信息域所承载的数据报文的内容。协议域的内容必须依据ISO 3309的地址扩展机制所给出的规定。该机制规定协议域所填充的内容必须为奇数，也即是要求低字节的最低位为“1”，高字节的最低位为“0”。如果当发送端发送的PPP数据帧的协议域字段不符合上述规定，则接收端会认为此数据帧是不可识别的，那么接收端会向发送端发送一个Protocol-Reject报文，在该报文尾部将完整地填充被拒绝的报文。

　　4、信息域缺省时最大长度不能超过1500字节，其中包括填充域的内容，1500字节大小等于PPP协议中配置参数选项MRU（Maximum Receive Unit）的缺省值，在实际应用当中可根据实际需要进行信息域最大封装长度选项的协商；

　　5、 CRC校验域主要是对PPP数据帧传输的正确性进行检测的。

字节填充：当PPP协议进行异步传输时，它把转义字符定义为0x7D，并使用字节填充

零比特填充：当PPP协议进行同步传输时，PPP协议采用零比特填充方法实现透明传输

1.4 使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层：：逻辑链路控制LLC和媒体介入控制MAC（MAC对于LLC子层都是透明的，很多厂商的适配器仅装有MAC协议）

适配器：计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器，适配器本来是在主机箱内插入的一块网络接口板，简称网络接口卡NIC（网卡），进行数据串行和并行传输的转换

CSMA/CD协议：以太网采用的协调方法是一种特殊的协议CSMA/CD------载波监听多点接入/碰撞监测。在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收，只能进行双向交替通信。

1.5 使用广播信道的以太网

使用集线器的星形拓扑：集线器的特点（1）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站贡献逻辑上的总线，使用的还是CSMA/DA协议（2）一个集线器有多个接口（3）集线器工作在物理层（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消

MAC帧的格式：

1.6 扩展的以太网

（1）在物理层扩展以太网：扩展主机的集线器之间的距离的一种简单的方法就是使用光纤和一对光纤调制解调器

（2）在数据链路层扩展以太网：使用网桥

            网桥的好处：1.过滤通信量，增大吞吐量；2.扩大了物理范围；3.提高了可靠性；4.可互联不同物理层，不同MAC子层和不同速率

网桥的类型：1.透明网桥（即插即用设备）：有自学习能力   2.多接口网桥--以太网交换机：每个接口直接与一个单个主机或者另一个集线器相连并且一般都是全双工方式

计算机网络----学习笔记2020-06-22

第四章 网络层

4.1.网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务，网络层不提供服务质量的承诺。

4.2.网际协议IP：

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一。与IP协议配套是用的四个协议：

1.地址解析协议ARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。

2.逆地址解析协议RARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的硬件地址和IP地址的映射问题。

3.网际控制报文协议ICMP：提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会

4..网际组管理协议IGMP：：用于探寻、转发本局域网内的组成员关系。

4.3 虚拟互连网络

因为没有一种单一的网络能够适应所有的用户需求，所以网络互连也变得困难，所以需要一些中间设备：

物理层中间设备：转发器(repeater)

数据链路层中间设备：网桥或桥接器(bridge)

网络层中间设备：路由器(router)

网络层以上的中间设备：网关(gateway)

4.4分类的IP地址

A类

由1字节的网络地址和3字节主机地址组成

网络地址的最高位必须是“0“，可指派的网络数为128-2，减2的原因是0.0.0.0对应“本网络”，另外一个是127.0.0.1是本地软件的回环地址，用于测试自己电脑IP地址是否可用。

地址范围1.0.0.0到126.255.255.255

最大主机数为2563-2=16777214台，减2的原因是全0的主机号字段代表该IP地址是"本主机“，全1表示”所有的“，表示该网络上的所有主机

B类

由2字节的网络地址和2字节主机地址组成

网络地址的最高位必须是“10”，可指派的网络数为 214 -1，因为最高位为10，所以不存在全0全1的情况，但是B类网络地址128.0.0.0是不指派的，可指派最小网络地址是128.1.0.0

地址范围128.0.0.0-191.255.255.255

最大主机数为2562-2=65534台，减2同样是全0全1情况。

C类

由3字节的网络地址和1字节主机地址组成

网络地址的最高位必须是“110”，可指派的网络数为221-1，192.0.0.0不指派，最小可指派网络地址是192.0.1.0

地址范围192.0.0.0-223.255.255.255

最大主机数为256-2=254台，减2同样是全0全1情况。

D类是多播地址，“lll0”开始

E类地址保留为今后使用，“llll0”开头

4.5 IP地址与硬件地址

硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址

IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址

IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址放在MAC帧的首部。当数据报放入数据链路层的MAC帧中后，整个IP数据报就成为MAC帧的数据，因而在数据链路层看不见数据报的IP地址。

4.6 地址解析协议ARP

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。

每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。

如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。

4.7 IP数据报

IP数据报格式

一个IP数据报由首部（20 字节+可选字段）和数据两部分组成

2.分组转发

(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。

(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D；否则是间接交付，执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)

(6) 报告转发分组出错。

4.8 划分子网 

两级IP地址缺陷：

IP 地址空间的利用率有时很低。

给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。

两级的 IP 地址不够灵活

子网划分的基本思路：

划分子网纯属一个单位内部的事情，单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。

划分子网的方法是从主机号借用若干个位作为子网号。

路由器在收到IP数据报后，按目标网络号和子网号定位目标子网

子网掩码：子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性

4.9 构造超网（无分类编址CIDR）

**CIDR（无分类域间路由选择）**的主要特点：

CIDR消除了传统的A、B、C类地址以及划分子网的概念，用网络前缀代替网络号和子网号，后面的部分指明主机。因此，CIDR使IP地址从三级编址(使用子网掩码)，又回到了两级编址，但这已是无分类的两级编址。

CIDR把网络前缀相同的连续的IP地址组成一个”CIDR地址块”只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道这地址块的起始地址(即最小地址)和最大地址，以及地址块中的地址数。

地址掩码：是一连串的1和0组成，而1的个数救赎网络前缀长度。在斜线记法中。斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数。

构成超网：由于一个CIDR地址块中含有很多地址，所以在路由表中就利用CIDR地址块来查找目标网络，这种地址的聚合常称为路由聚合，也称构成超网。

4.10 网际控制报文协议ICMP

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了ICMP，ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

1.ICMP报文的种类

ICMP差错报告报文

ICMP询问报文

2. ICMP 差错报告报文共有 5 种：

终点不可达 ；    源点抑制(Source quench) ；      时间超过；    参数问题；    改变路由（重定向）(Redirect)

3.   ICMP 询问报文有两种：

回送请求和回答报文

时间戳请求和回答报文

4.11 路由选择协议

两大类路由选择协议：

内部网关协议 IGP：一个自治系统内部使用的路由选择协议。有多种协议，如 RIP 和OSPF 协议。

外部网关协议EGP：一个自治系统的边界，将路由选择信息传递到另一个自治系统中。目前使用的就是BGP

RIP协议的优缺点：

RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。

RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。

RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。

路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，其主要特点：

（1）仅和相邻路由器交换信息。

（3）按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30秒。

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议，其主要特点：

（1）使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息。

（2）发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态。

（3）只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，它采用路径向量路由选择协议，其主要特点：

（2）自治系统AS之间的路由选择必须考虑有关策略。

（3）BGP只能力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由。